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上海市超低能耗建筑实践特征与应用思考

2022-08-17 14:24来源:暖通空调作者:瞿燕


来源 | 暖通空调,2022,52(8):29 35,17

作者 | 瞿燕,华东建筑集团股份有限公司上海建筑科创中心副主任,教授级高工,在读博士研究生,PHI被动房设计师



0 引言


为了应对全球气候变化,世界各国积极推进节能减排工作。2020年9月,我国在第75届联合国大会提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,2060年前实现碳中和”的发展目标。建筑领域的能源消耗及其碳排放是我国能源消耗及碳排放的重要构成部分,2018年我国建筑全过程能耗及碳排放分别占全国能源消费总量和碳排放总量的46.5%和51.3%,建筑领域节能减排是实现“碳达峰、碳中和”国家战略的关键一环。面对大量新建建筑带来的能耗刚性增长,发展超低能耗建筑被视为建筑领域实现碳达峰的重要路径之一,也是实现建筑领域碳中和的基础和必要条件。


我国超低能耗建筑的发展已有十余年的历程,但公开资料上的示范工程案例统计显示,超低能耗建筑在北方严寒及寒冷地区发展态势良好,而在夏热冬冷、夏热冬暖等地区发展相对缓慢。由于气候和用能习惯上的差异,在夏热冬冷地区发展超低能耗建筑,存在技术路径不清晰、规范标准缺乏、管理机制不完善、工程实践不足等问题,阻碍了超低能耗建筑的推广应用。


上海作为夏热冬冷地区的超大型城市,其建筑能耗总量和强度控制的压力在不断加大。为了推动超低能耗建筑的发展,上海市近年来在超低能耗建筑的规范、政策、管理等方面开展了一系列工作。


2019年9月,发布了夏热冬冷地区首部超低能耗建筑技术规范文件《上海市超低能耗建筑技术导则(试行)》(以下简称《导则》);2020年3月发布的《上海市建筑节能和绿色建筑示范项目专项扶持办法》将超低能耗建筑纳入补贴范围,给予300元/的补贴;2020年12月发布的《关于推进本市超低能耗建筑发展的实施意见》提出对超低能耗建筑给予3%的容积率奖励,并在2021年2月发布的《上海市超低能耗建筑项目管理规定(暂行)》中明确了容积率奖励的申报操作流程和超低能耗建筑项目的管理要求。在激励政策的驱动下,上海市超低能耗建筑工程项目呈现快速发展的势头。自2021年2月启动超低能耗建筑示范项目评审以来,至2021年9月已有超过25个项目通过超低能耗建筑方案评审,累计建筑面积超过180万


本文对上海市目前已通过评审的超低能耗建筑示范项目技术应用情况进行总结,阐述上海市超低能耗建筑的技术路径,分析工程实践应用特征,探讨若干应用技术问题,以期为夏热冬冷地区超低能耗建筑的推广应用提供参考。



1 上海市超低能耗建筑技术路径


上海市超低能耗建筑示范项目的设计建设均要求执行《导则》。《导则》的编制充分考虑了上海地区的地域气候特征和用能习惯,提出了上海地区适用的超低能耗建筑技术路径、体系和指标,成为上海地区超低能耗建筑设计建设的依据文件。


1.1 总体技术路径


《导则》对超低能耗建筑的目标界定保持了与国家标准GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准》(以下简称GBT51350-2019)的协同,即建筑能耗较现行建筑节能设计标准降低50%以上。而要实现该目标,总体上应遵循“被动式+主动式+可再生能源”的技术路径,见表1。这与北方地区发展超低能耗建筑的路径类似,不同之处在于,在上海地域气候特征下,被动式措施的实施重点及其对节能目标的贡献。


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表1 上海市超低能耗建筑技术路径及其节能贡献


以上海地区居住建筑为例,《导则》引导的被动式措施强调采光、通风与外遮阳。基于典型居住建筑模型的计算表明,以满足现行节能设计标准的建筑为基准,通过被动式节能为主的降负荷措施,可以贡献26%以上的节能量;以节能照明、节能空调、节能电梯为主的主动式节能措施,可以承担12%以上的节能量;利用可再生能源的太阳能热水系统可以承担12%以上的节能量。以上措施共同作用促成超低能耗建筑能耗降低50%的目标。


1.2 与GB/T51350-2019的差异


作为一部区域性的技术规范,《导则》方向性的内容保持了与GBT51350-2019的协同,但在具体的技术指标和措施上结合上海的地域特征做出了变化,如表2所示。


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表2《导则》与GB/T51350-2019的主要区别


1)《导则》将自然采光与自然通风指标纳入了室内环境的约束性要求,作为超低能耗建筑设计的前置条件。其中对居住建筑以窗地面积比、通风开口面积与房间地板面积比作为约束指标,公共建筑以满足自然采光系数的比例、满足自然通风换气次数的比例作为约束指标。这个变化体现了上海地区对自然采光、自然通风设计的重视。


2)《导则》进一步强化了对建筑本体设计优化的约束性,在公共建筑的能耗指标中设置累计耗冷热量降低幅度达到30%的要求,保证项目设计中对建筑本体设计优化的约束。耗冷热量的降低,只能通过朝向、窗墙面积比、围护结构热工及热回收措施来实现,与机电设备能效、可再生能源无关,从而保障了对建筑本体设计的强约束。


3)《导则》对围护结构热工指标采用推荐值和约束值的双重约定,避免性能化计算中对围护结构的弱化,保证对围护结构热工性能的基本提升。


4)《导则》结合上海地区的居民用能习惯,对居住建筑能耗计算中的空调运行工况设定进行调整,充分考虑本地区的间歇用能特征,采用了“部分时间、部分空间”的间歇运行时间表。



2 上海市超低能耗建筑工程实践特征


自2021年以来,上海市通过一批超低能耗建筑的工程设计实践,已逐步形成清晰、完整的工程做法和技术措施体系。在规范指引、地域政策、行业环境等因素的作用下,上海市超低能耗建筑工程实践呈现出了地域特点。本文以收集到的10个上海市超低能耗居住建筑案例信息为主体,并结合部分公共建筑案例信息,对上海市超低能耗建筑工程实践特征进行总结分析。


2.1 重视建筑本体节能


朝向、体形、平面、窗墙面积比、采光、通风、遮阳等设计措施构成建筑本体节能的基础条件。在上海地区,推荐的建筑主朝向为南偏东30°至南偏西30°。居住建筑受限于出让地块范围特点,建筑朝向通常没有较大的调整空间。但对于公共建筑,方案设计时会对建筑主朝向、功能房间平面布局进行推敲,避免在东西向设置较大的外立面是超低能耗公共建筑采取的设计原则。居住建筑的体形系数推荐控制在0.4以下,避免过多的凹凸应成为平面设计的原则。平面功能布局也是值得关注的节能点,上海目前有部分高端住宅的平面设计呈现公建化趋势,其特征在于交通核集中设置,平面规整,住宅房间在各朝向均有分布。这种平面设计方案下建筑体形系数虽然小,但由于在东西向不利朝向有多个功能房间,其供暖空调负荷均比常规居住建筑高,这种类型的建筑要实现超低能耗需要更高强度的节能技术投入,不应该成为推荐方向,因此应该在设计源头上对平面功能设计予以引导。


在窗墙面积比的控制上,采光需求与能耗需求存在矛盾。在保证采光的前提下,对窗墙面积比进行适当的控制是上海市超低能耗建筑项目普遍采取的设计原则。在超低能耗居住建筑案例中,对南向的窗墙面积比普遍控制在0.50以内,以0.40~0.45范围内居多;对东、西向以避免设置主要功能房间外窗为主。


由于《导则》将自然采光、自然通风纳入了约束性要求,因此居住建筑和公共建筑超低能耗项目均对采光与通风开展了专项设计。其中居住建筑以优化外窗面积、开启扇面积为主,公共建筑则通过对窗墙面积比、开窗位置、开窗方式等进行优化来实现自然采光与通风。


上海市已通过评审的超低能耗建筑项目均采用了建筑外遮阳措施,这符合上海的地域气候特点和《导则》的引导方向。其中居住建筑以玻璃内置百叶遮阳方式为主,作为一种活动外遮阳方式可进行冬夏季遮阳行为的调节。公共建筑则是以各种形式的固定外遮阳为主。


2.2 提倡围护结构适度保温


围护结构保温的度在夏热冬冷地区是个充满争议的问题。由于冬夏季室内外温差与北方有差异,对于北方超低能耗建筑盛行的厚保温做法是否适合南方地区,是夏热冬冷地区超低能耗技术路径争议的焦点。


基于典型居住建筑模型的计算研究显示,在上海地区提升外墙保温性能,冬季供暖的负荷需求和能耗下降,这是加强保温的有利一面,但是对夏季供冷的节能效果不明显。从全年总能耗的角度来看,在夏热冬冷地区提升外墙保温性能,总的供暖空调负荷和能耗是降低的,所以提升外墙保温性能有必要。但如果加入经济性的考虑,会发现随着保温越来越厚,其成本投入和获得的节能收益越来越不匹配,或者说性价比越来越低。


基于以上分析和考虑,《导则》提出了围护结构“要保温,但要适度”的观点,并且提出了上海超低能耗项目外墙热工性能的引导指标:外墙传热系数K≤0.4W/(·K)。与上海常规居住建筑的要求(K=1.0W/(·K))相比,性能上有大幅度的提升;与北方超低能耗标准要求或者德国被动房的通行要求(K=0.15W/(·K))相比,上海的要求并没有北方那么高,这是上海的超低能耗做法与北方区别的地方,是基于上海地域气候特点选择的路径。


图1显示了上海10个超低能耗建筑案例的外墙、屋面、外窗传热系数的统计情况。可以看出,外墙传热系数基本在0.4W(·K)左右,屋面传热系数在0.2~0.3W/(·K)范围内,外窗传热系数处于1.2~1.6W/(·K)范围内,其性能要求均较上海现行节能设计标准要求有大幅度的提升。


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图1 上海市超低能耗建筑案例围护结构热工性能指标


2.3 推行外墙保温一体化


2020年10月,上海市住建委发布了《上海市禁止或者限制生产和使用的用于建设工程的材料目录(第五批)》,其中明确将采用粘接锚固工艺的传统外墙外保温措施禁用。该文件出台之后,从建设管理角度,需要给出替代传统外保温的技术路线,推行外墙保温一体化成为上海市建设主管部门选择的方式。


为了推行外墙保温一体化,上海市在设定超低能耗建筑的容积率奖励条件时,在超低能耗建筑的基础上加入了应用外墙保温一体化的要求。2021年2月发布的《外墙保温系统及材料应用统一技术规定(暂行)》明确了外墙保温一体化的形式和技术要求。目前上海地区被认可的外墙保温一体化形式共有3种,分别为预制混凝土夹心保温外墙板系统、预制混凝土反打保温外墙板系统、现浇混凝土复合保温模板外墙保温系统。


该政策引导的结果是,上海市目前的超低能耗居住建筑项目均应用外墙保温一体化体系。其中现浇部分均采用了复合保温模板外墙保温系统,保温材料以硅墨烯免拆模保温板为主,保温厚度为85~100mm。预制部分采用预制夹心保温和预制反打保温的工程案例各占50%左右,其中预制夹心保温材料以聚氨酯板为主,少量项目采用挤塑板,夹心保温厚度为50~65mm;预制反打保温以硅墨烯保温板为主,保温厚度为85~100mm。同时为了达到相应的K值,外墙普遍采用内外组合保温形式,内保温材料以无机保温膏料、挤塑板为主,厚度在15~35mm 范围内。部分超低能耗案例外墙不同部位的保温厚度如图2所示。


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图2 上海市超低能耗建筑案例外墙保温厚度


2.4 实施装配式与超低能耗的结合


上海市已在新建建筑中全面要求实施装配式建筑,装配式建筑指标包括单体预制率或单体装配率,因此上海市超低能耗建筑项目均采用了装配式建筑体系。这为超低能耗建筑的实施带来了挑战,其中在预制墙板拼接的位置,如何处理热桥和气密性成为核心问题。对预制墙板的拼缝采取了区别于常规设计的加强措施,以改善热桥效应并提升筑气密性,是目前上海市超低能耗建筑项目的重要特征。


以预制夹心保温墙体的水平缝处理为例,如图3所示。上海市常规的设计做法是预制夹心保温墙板采用混凝土封边,这会在端部产生明显的热桥,在超低能耗建筑对热桥严格控制的要求下,这种做法不被接受。为保证超低能耗建筑围护结构热工性能,预制夹心保温墙体的混凝土封边替换为A级保温材料封边,以降低热桥;同时在水平缝处也需要采用保温材料封堵灌浆料,以实现保温层的连续。室内侧采用高强度灌浆料填充,并在室内侧设抹灰层或无机保温膏料保护。



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图3 预制墙体水平缝处理的变化与热桥控制效果


2.5 引导供暖设备的电气化


近年来,由于舒适性需求越来越高,在上海的商品住宅市场上地板供暖已成为主流的产品配置。即使在超低能耗住宅项目中,虽然热负荷已通过高性能的保温有了大幅度的降低,但开发商也会从商品房产品配置角度要求安装地板供暖,此时地板供暖的热源成为关键。在“碳达峰”和“碳中和”的国家发展战略下,提升建筑电气化率已成为行业共识,传统的燃气壁挂炉因燃烧废气排放、产生CO2排放及运行能耗高等问题,在上海市超低能耗建筑评审层面已不建议采用,采用电驱动的空气源热泵供暖替代燃气壁挂炉已成为上海市超低能耗建筑项目的主流选择。


目前上海市通过评审的超低能耗建筑项目中,配置地板供暖的项目均采用了空调和地板供暖两联供形式,利用一套室外机同时满足室内的空调及地板供暖需求,原理如图4所示。在具体的产品形态上,又区分为“天水地水”“天氟地水”2种方式,均有案例应用。研究计算表明,在上海地区采用空气源热泵供暖替代燃气壁挂炉,从一次能耗角度可节能20%以上,节省运行费用40%以上。


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图4 空气源热泵两联供系统(空调+地板供暖)示意图



3 上海市超低能耗建筑应用问题探讨


《导则》在上海市超低能耗建筑示范工程建设中起到了规范引导作用,但由于编制时间较早且部分内容未明确涉及,在设计应用层面仍存在一些因无规范界定而产生的设计上的困惑,这些问题需要开展进一步的研究分析工作予以明确。本文对几个重要的技术应用问题进行阐述和探讨。


3.1 热桥处理的量化


对阳台板、设备平台等热桥部位进行保温处理,是上海市超低能耗建筑区别于常规节能建筑的措施之一。但这些热桥部位的保温应该处理到什么程度,并没有量化的指标要求,在设计实施和评审层面产生了困惑。


以阳台板为例,如果参照北方地区的超低能耗建筑标准,以室内不结露、内表面温差不超过3℃作为热桥控制标准,在上海的气候条件下阳台板只需要少量保温即可满足要求。如果要求阳台板保温和外墙等厚,从效果上来说固然更好,但争议之处在于,因为上海地区的室内外温差比北方严寒及寒冷地区要小,如此高的热桥控制要求是否能够产生相匹配的节能效益?


对上海典型住宅的阳台板热桥控制措施研究表明,阳台板保温与不保温相比,会产生不同的温度分布(如图5所示),进而影响建筑负荷,由围护结构引入的供暖空调负荷相差3%左右,对总能耗的影响小于1%。这个分析结果表明,阳台板保温有节能效益,但其数量级较小,综合考虑技术经济效益,对阳台板的保温应该遵循适度的原则。但如果从编制标准角度对热桥处理要求进行量化,这个合理的尺度在哪里,有待后续更深入的研究进行支撑。


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图5 阳台板温度分布


3.2 空调设备的容量选型


在实施超低能耗建筑技术措施后,建筑的供暖空调负荷需求会有明显的降低,理论上空调设备的选型容量应该相应降低。但目前上海市超低能耗建筑工程实践中,空调设备的选型容量普遍较常规项目并未有明显降低,其背后的原因值得反思。


按照供暖空调相关的设计规范,供暖空调设备选型依据的空调负荷,应按GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(以下简称GB50736-2012)中的设计日负荷计算方法计算,而非各类超低/近零能耗建筑技术规范中计算耗冷/耗热量时采用的逐时或逐月算法计算出的峰值负荷。2种计算方法的核心差异,在于对内热源的处理方式及室外设计参数的不同(如表3所示),会导致2种方法计算出的负荷结果有较大的差异。这是目前的超低能耗建筑设计咨询模式下,暖通工程师和咨询工程师的第一个矛盾点。


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表3 超低能耗建筑设计不同的负荷计算方法对比


由于上海地区超低能耗住宅多采用热泵类空调设备,设备选型应依据夏季冷负荷和冬季热负荷中的大值。在上海的气候特征下,实施高性能的围护结构等超低能耗建筑技术措施以后,超低能耗建筑项目的冬季热负荷通常远小于夏季冷负荷,应按照夏季冷负荷进行设备选型。但在超低能耗建筑的技术体系下,出现了2个争议点:设计负荷计算时如何处理可调节外遮阳和排风热回收?目前上海的超低能耗住宅项目中均采用了上述2种措施。暖通工程师通常认为,从暖通空调负荷按照最不利情况计算的思路出发,不应该计入可调节外遮阳和排风热回收,这是暖通工程师和咨询工程师的第二个矛盾点。


如果在设计负荷计算中不考虑可调节外遮阳和排风热回收,那么对负荷起作用的超低能耗建筑技术措施只剩下围护结构保温和建筑整体气密性的提升。而相关计算表明,只靠这2项措施,计算出的冷负荷与常规节能建筑的差异仅在10%左右。这就是上海目前超低能耗建筑项目的空调选型容量并没有比常规建筑有明显降低的原因。


笔者认为,采用GB50736-2012中的设计日负荷计算方法是合规、合理的,但对于可调节外遮阳、排风热回收等超低能耗建筑常用的节能措施,后续的标准规范应该对其如何参与设备选型的负荷计算做出明确的界定。当实际的超低能耗建筑工程中出现空调超配的情况时,对空调设备选用应该要求其具备更优的部分负荷运行特性,比如住宅采用直流调速空调、公共建筑采用磁悬浮冷水机组等应成为优选方向。


3.3 空调设备的除湿


如何理解超低能耗建筑技术规范提出的湿度指标,也是目前在超低能耗建筑工程设计中经常碰到的疑问。各地的超低能耗建筑技术规范均提出了夏季供冷工况的室内相对湿度设计参数(≤60%),但如何理解这个参数却有争议。有人认为这就要求超低能耗建筑全年室内相对湿度均维持在60%以内,从而推行所谓的“恒温恒湿”系统,并且将超低能耗建筑与“恒温恒湿”挂钩。笔者认为这种说法和做法并不可取。超低能耗建筑技术规范提出的湿度指标主要用于负荷和能耗计算、设备选型,该参数代表了设计工况下对设备容量和选型的要求,并不代表要求全年变工况下均维持在该湿度范围内,这与传统的供暖空调设计对待湿度设计参数的思路是一致的,追求过高的湿度保证率并不是节能推荐的方向。


但从追求更高品质生活的角度,在保证节能目标前提下的湿度控制也应该成为工程项目和标准编制认真思考的问题,通过一定的技术措施改善室内湿度环境值得关注。特别是上海地区夏季存在较长时间的高湿环境,控制室内湿度对人员舒适和健康都有意义。从目前的工程实践角度,冷却除湿仍然是空调设备除湿的主流。在这种除湿方式下,不一定能同时保证室内温度和湿度都达标。在上海地区比较典型的除湿问题是,当室内温度不高但湿度较高需要除湿时,常规空调的冷却除湿会导致室内过冷。要改善这一问题,除湿之后的再热是一种可行的方式,如何降低再热能耗成为超低能耗建筑应用该方式时需要关注的重点。从空调市场的可用产品角度,采用冷凝热回收进行再热是推荐的方式,不会额外增加再热能耗,在上海地区已有工程项目应用。因此,如何在保证节能目标的前提下更好地营造室内湿环境是相关标准规范可以进一步完善的地方。


3.4 空调运行模式的选择与引导


《导则》对居住建筑供暖空调负荷和能耗的计算方法,引入了“部分时间、部分空间”的间歇运行模式,初衷是认为这种模式更契合上海居民的生活和用能习惯,也是一种被认为更节能的运行模式。但在工程实践操作中,这种计算方法遇到了挑战。夏季供冷工况并无过多争议,但冬季供热工况下,目前有大量的住宅项目采用地板供暖,常规的湿法地板供暖需要保持长时间的运行,用户通常不会按照间歇运行模式来控制,从而在事实层面出现了连续运行的工况,进而出现了对空调间歇运行计算模式的质疑。


从节能角度,采用可以间歇运行的空调系统仍然应该是推荐的方向。针对地板供暖的应用,采用干法地板供暖施工工艺成为推荐的方向。干法地板供暖通常是指预制沟槽保温板将加热管敷设在预制沟槽保温板的沟槽中,加热管与保温板沟槽尺寸吻合且上皮持平,不需要填充混凝土即可直接铺设面层的地面辐射供暖形式(典型构造见图6)。


干法地板供暖工艺中供暖盘管无混凝土浇筑层,因此具备更快速的温度调节能力。相关实测对比研究结果显示,达到相同室温所需的时间,干法地板供暖仅为常规湿法地板供暖的1/2,这为地板供暖的间歇使用及行为节能提供了有利条件。


对上海典型超低能耗住宅案例计算表明,干法地板供暖在工作日间歇运行模式下,比供暖季连续运行模式年累计耗热量降低12%以上。同时对于能耗的计算模式,当所选择的空调系统无法实现间歇运行时,应该采用符合实际的连续模式进行计算,但涉及超低能耗建筑的能耗指标应该保持不变,从而实现对连续运行模式空调系统的限制。


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图6 干法地板供暖典型构造做法



4   上海市超低能耗建筑发展展望


1)超低能耗建筑应用规模有较大的增长空间。


在超低能耗建筑激励政策的刺激下,未来上海市超低能耗建筑规模仍然有较大的增长空间。一些重点区域的规划中,已经将大规模推广超低能耗建筑纳入了区域规划,如临港新片区、五大新城等。可以预见的是,到“十四五”末上海市超低能耗建筑规模将会有大幅度的增长,能够为上海市建筑领域的碳达峰作出重要贡献。


2)超低能耗标准体系将会进一步完善。


《导则》部分内容已不能完全满足新形式下的发展需求,如传统外保温措施禁用,推行外墙保温一体化;装配式建筑在上海的全面推广,装配式+超低能耗带来新的技术应用挑战;“双碳”背景下建筑用能电气化的发展,对热泵类供暖空调设备应用提出更高的要求;新型建筑材料(如防水隔汽膜、节能附框、相变蓄热等)应用趋多,需要在标准层面对其应用做出规范。完善地方性的超低能耗建筑标准体系已纳入相关流程,后续相关标准编制工作将会陆续开展。


3)太阳能光伏需要更大的推广应用力度。


在“碳达峰”和“碳中和”的背景下,太阳能光伏发电系统应用的重要性越发突出。过去十多年来,太阳能光伏发电系统的成本不断下降,而效率则显著提升。2010年国内太阳能光伏组件的市场报价约为12元/W,到2021年已接近2元/W,而单晶硅类的光伏组件转换效率已达到20%以上,建筑上应用太阳能光伏发电系统已具备良好的技术经济性。上海市已出台相关的规划,要求新建公共建筑、居住建筑和工业厂房使用一种或多种可再生能源。居住建筑采用光伏发电系统向公共区域照明等配电系统供电,公共建筑应用光伏发电系统向建筑低压侧供电,应成为未来超低能耗建筑引导的方向。


4)超低能耗产品体系需要更多元化。


上海市超低能耗建筑仍然处于发展初期,相关的产品、设备、材料等选择范围还比较单一。尤其是在外墙保温一体化、高效空调和新风设备等方面选择面不大。随着上海市超低能耗建筑市场规模的扩大,将会有更多的超低能耗产品进入上海市场,助力上海市超低能耗建筑产品体系的多元化,支撑上海市超低能耗建筑的更高质量发展。